Nghiên cứu, mô phỏng bộ lọc tích cực

ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng điện đồng thời phải đảm bảo và nâng cao chất lượng điện năng. Chất lượng điện năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điện năng phải được cung cấp liên tục, đảm bảo được các chỉ tiêu về điện áp và tần số, đảm bảo dạng sóng hình sin của điện áp và dòng điện nguồn. Độ không sin của điện áp, dòng điện nguồn do sóng hài sinh ra từ các tải phi tuyến ( thiết bị biến đổi điện tử công suất, thiết bị có đặc tính phi tuyến..) trên lưới điện làm cho méo hệ thống điện làm xấu hệ số công suất, nhiễu điện từ, phát nóng các thiết bị điện…Do vậy cần phải hạn chế và khử hiện tượng sóng hài trong hệ thống điện, có nhiều phương pháp giải quyết ảnh hưởng xấu do sóng hài gây ra tới hệ thống điện trong đó giải pháp sử dụng mạch lọc tích cực để khử sóng hài đang được áp dụng nhiều nhất. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, với những kiến thức được học tại bộ môn Điện tự động công nhiệp -Trường đại học Dân lập Hải Phòng và được sự tin tưởng động viên của các thầy cô trong khoa bộ môn em đã tiến hành thực hiện đồ án tốt nghiệp “ mô phỏng bộ lọc tích cực ”. Trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự cố gắng của bản thân, đồng thời với sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong bộ môn và đặc biệt được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Th.S Đặng Hồng Hải. Đến nay, em đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Song do thời gian làm đồ án có hạn, kiến thức còn hạn chế, nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy em kính mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo để đồ án được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Chiến Chương I sóng hài và chất lượng điện năng 1.1. khái niện sóng hài Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng không còn sin. Hình 1.1 a- Dạng sóng hình sin Hình 1.1 b- Dạng sóng hài Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kì sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống. Trong đó h là một số nguyên dương. fh : Tần số sóng hài. fcb: Tần số cơ bản h : Bậc của sóng hài. Ví dụ dòng 250Hz trên lươí 50Hz là sóng hài bậc 5. Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hóa sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. Sau đây là hình ảnh một sóng dòng điện có tần số 60Hz với biên độ là 100A và các sóng với tần số bằng 7 lần, 5 lần, 3 lần tần số cơ bản. Hình 1.2 Sóng hình sin bị sai lệch do sóng hài. Hình 1.3 Hình ảnh một số loại sóng hài Những loại sóng này có thể biểu diễn như sau: Trong đó Imh là biên độ của sóng hài dòng điện bậc h. Kết quả là: Itotal=+++ Điều này chứng tỏ tổng của các sóng hình sin này tạo ra một sóng méo. Hay có thể coi sóng méo này là sự xếp chồng của thành phần sóng cơ bản với các sóng ở tần số và biên độ khác. Dựa trên phân tích chuỗi Fourier ta nhận được tín hiệu tuần hoàn dòng điện và điện áp [3] : Trong đó: V0, I0 : Thành phần DC của hàm v(t), i(t). V1, I1 : Thành phần điện áp và dòng điện cơ bản. Vh, Ih : Thành phần sóng hài h, h2. Vrms, Ims : Giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện. Vh%, Ih% : Tỉ lệ sóng hài riêng phần bậc h. Phổ của sóng hài được thể hiện như hình 1.4 Hình 1.4 Phổ của sóng hài 1.2. Độ méo của sóng hài Ta đã biết rằng bất kì một hàm điều hòa nào cũng có thể khai triển Fourier thành các thành phần có các bậc tử thấp đến cao, khi phân tích Fourier ta thu được thành phần sóng cơ bản bậc một là hình sin, các thành phần bậc hai trở lên gọi là các sóng hài, thành phần sóng bậc cao càng nhiều thì hình sin càng méo và biên độ dao động càng mạnh, để đo độ méo sóng hài người ta sử dụng hệ số méo toàn phần dạng THD ( Total Harmonic Distortion ) theo tiêu chuẩn IEC 1000-2-2 Hệ số méo dạng điện áp : [3] Hệ số méo dạng dòng điện: Trong đó: I1 Thành phần dòng điện cơ bản. Ih Thành phần điều hòa của dòng điện. V1 Thành phần điện áp cơ bản. Vh Thành phần điều hòa của điện áp. 1.3. Các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài 1.3.1. Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE 519 - 1992 Để giải quyết ảnh hưởng xấu do sóng hài tới hệ thống điện các nước đã đề ra tiêu chuẩn quốc gia để đảm bảo chất lượng cho mạng điện lưới, năm 1992, Mỹ đưa ra tiêu chuẩn IEEE 519, đã chỉ ra rằng nơi cấp nguồn phải có trách nhiệm duy trì chất lượng điện áp và mỗi cấp điện áp khác nhau có tiêu chuẩn khác nhau. Bảng 1.1 Tiêu chuẩn về sai lệch điện áp của IEEE 519-1992 Các cấp điện áp <69kV 69-161kV >161kV Từng loại sóng hài 3,0 1,5 1 Tổng các loại sóng hài 5,0 2,5 1,5 (Theo tiêu chuẩn của Việt Nam thì độ biến dạng đối với cấp điện 110, 220, 500kV thì tổng biến dạng là 3 còn với cấp trung áp là 6,5 ). Theo IEEE 519-1992 thì khách hàng phải có trách nhiệm duy trì thành phần sóng hài dòng điện nằm trong phạm vi cho phép. Sau đây là tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đối với mạng điện nhỏ hơn hoặc bằng 69kV. Bảng 1.2 Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu của IEEE 519-1992 Isc/IL <11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 35<h TDD <20* 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100<1,000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1,000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Trong đó : ISC : Dòng ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối. ILOAD : Dòng tải lớn nhất tại tần só cơ bản. TDD : Toàn bộ sai lệch yêu cầu. Các hộ sử dụng điện hạn chế thành phần sóng hài nhỏ hơn 5%. Trong đó sóng hài thứ 11 nhỏ hơn 4%, sóng hài 11-17 nhỏ hơn 2%, sóng hài 17-23 nhỏ hơn 1.5%. 1.3.2. Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEC Hội điện lực quốc tế IEC đề ra tiêu chuẩn IEC 1000-3-2 “ hạn chế sóng hài đối với thiết bị nối vào mạng hạ áp” tiêu chuẩn dòng điện nhỏ hơn 16A. Các chỉ tiêu hạn chế dòng điện sóng hài như bảng 1.3. Bảng 1.3 IEC 100-3-2 Bảng 1.3 a Sóng hài bậc lẻ h 3 5 7 9 11 13 15 h 39 Imax(A) 2,3 1,14 0,77 0,4 0,3 0,21 0,15x15h Bảng 1.3 b Sóng hài bậc chẵn h 2 4 6 8 h 40 Imax(A) 1,08 0,43 0,3 0,23x8/h IEC 1000-3-2 chú ý tới hạn chế các thiết bị có sóng hài dòng điện lớn hơn tiêu chuẩn trên. Năm 1995 IEC lại công bố tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 “ hạn chế thành phần sóng hài dòng điện đối với các thiết bị dùng dòng điện lớn hơn 16A”. Tiêu chuẩn này quy định trị số hạn chế sóng hài chia theo tình huống và đẳng cấp. Đối với nhiều thiết bị cùng đặt trong một hệ thống thì nên xét chúng vào một chỉnh thể. Hệ số sóng hai dòng điên như bảng 1.4 IEC 1000-3-4. Bảng 1.4 IEC 1000-3-4 h(lẻ) 3 5 7 9 11 13 15 17 31 33 (Ih/I1)% 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 0,7 1,2 0,7 0,6 Khi đó h (chẵn) thì (Ih/I1)% bằng 0,8n hoặc 0,6n 1.4. Các nguồn tạo sóng hài Cùng với sự phát triển của các hệ thống điện lực công nghiệp ở các xí nghiệp, các nhà máy thì các thiết bị điện, điện tử dùng trong đời sồng nhạy với sự méo dạng điện áp ngày càng ra tăng dẫn đến gia tăng lượng sóng hài. Ví dụ như các thiết bị đổi điện (chỉnh lưu và đảo mạch), các lò hồ quang điện, các bộ điều khiển công suất xoay chiều dùng thyristor, máy vi tính (PCs, CPUs ), máy in laze. Có nhiều nguồn phát ra sóng hài trên một hệ thống điện. Nói chung các thiết bị có đặc tính vận hành phi tuyến phát ra sóng hài, đó là: Các máy biến áp. Bộ nguồn cung cấp điện DC các thiết bị điện tử. Tải chiếu sáng ( đèn huỳnh quang, đèn phóng điện ). UPS (Uninterruptible Power System ). Các máy điện quay. Các thiết bị hàn hồ quang và các lò hồ quang. - Các thiết bị có công suất được điều khiển bằng bán dẫn, chẳng hạn như các bộ điều khiển điện áp, chỉnh lưu, nghịch lưu, hệ thống bù tĩnh (SVC). Trong điều kiện vận hành cân bằng, các sóng hài có thể phân chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và thứ tự không: Thành phần thứ tự thuận : Các sóng hài 1, 4, 7... Thành phần thứ tự nghịch : Các sóng hài 2., 5, 8... Thành phần thứ tự không : Các sóng hài 3, 6, 9... Đối với các điều kiện không cân bằng trong các pha chẳng hạn điện áp không cân bằng trong các pha, tổng trở của hệ thống, hay tải không cân bằng, mỗi sóng hài có thể gây ra một trong ba thành phần. 1.4.1. Máy biến áp Sự bão hoà của máy biến áp gây ra sự không sin của dòng điện từ hoá máy biến áp. Khi đặt một điện áp lớn hơn điện áp định mức của máy biến áp, các thành phần điều hoà của dòng điện từ hoá có thể ra tăng đáng kể. Máy biến áp phát ra đáng kể lượng sóng hài khi nó vận hành cao hơn điện áp định mức của nó. Để duy trì điện áp sin, từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ-magnetizing current. Khi biên độ của điện áp ( và từ thông ) đủ lớn để rơi vào trường hợp không tuyến tính trong đường cong B-H, sẽ dẫn đến dòng điện từ lớn bị méo dạng và chứa sóng hài. Dạng sóng và phổ của dòng pha a khi máy biến thế hoạt động với điều kiện quá điên áp 110% Hình 1.5 Dòng pha a và phổ của nó khi hoạt động ở 110% điện áp định mức 1.4.2. Máy điện Các sóng hài được phát sinh bởi máy điện liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rôto và stato của máy. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra các sóng hài bởi vì dạng của từ trường, sự bão hoà trong các mạch chính và các đường rò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng. Nếu như không sử dụng máy biến thế đấu Delta, một động cơ đồng bộ 3 pha sẽ sinh ra dong điện hài bậc 3 có giá trị khoảng 10% và một động cơ đồng bộ 3 pha sẽ sinh ra dòng điện hài bậc 3 có giá trị khoảng 30%. Ví dụ dạng sóng dòng điện bị méo dạng của máy lạnh được cho theo hình 1.8, THD = 6.3% Hình 1.6 Dòng điện máy lạnh Ví dụ: Dạng sóng dòng điện của máy điều hòa không khí được cho theo hình1.9 ,THD = 10,5% Hình 1.7 Dòng điện máy điều hòa không khí 1.4.3. Thiết bị hồ quang [8] Các thiết bị hồ quang thường gặp nhất trong hệ thống điện lực công nghiệp là các lò điện hồ quang và các máy hàn, nhưng các thiết bị hồ quang nhiều hơn. Đèn hồ quang cho các bãi đậu xe và đèn huỳnh quang lớn.Việc đo lường được thực hiện đối với điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài đầu ra biến thiên rất lớn, ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% ở giai đoạn nóng chảy, 6% ở cuối mỗi giai đoạn nóng chảy và 2,5% của giai đoạn cơ bản trong suất thời gian tinh luyện. Với điều kiện không cân bằng của cực hồ quang điện, điều hoà bậc 3 và các bội số của nó có thể xảy ra với số lượng thấy rõ. Thêm vào đó các sóng hài bậc 5 và bậc 7 xảy ra trong điều kiện cân bằng có thể ra tăng đáng kể ở điều kiện không cân bằng. 1.4.4. Thiết bị điện tử công suất 1.4.4.1. Bộ chỉnh lưu một pha Bộ chỉnh lưu một pha điển hình được sử dụng trong việc cung cấp nguồn cho các động cơ DC, ắc quy, hay công nghệ chế biến hóa học, công suất của thiết bị nhỏ, tử vài W đến vài kW. Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode, hệ số méo dạng THD của dòng điện thường lớn hơn 100% AC supply V(t) i(t) DC output Hình 1.8 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode Các thiết bị điên gia dụng và công nghiệp sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode thông dụng là : Các thiết bị của tivi, Đầu ghi video Máy vi tính, máy in Lò vi sóng Bộ điều chỉnh tốc độ Đèn huỳnh quang Bộ UPS nhỏ Ví dụ: Dòng điện của bộ thu tivi -tivi receiver có độ méo dạng rất lớn THD = 120% như hình 1.9 Hình 1.9 Điện áp và dòng điện của bộ thu tivi – tivi receiver 1.4.4.2. Bộ biến đổi công suất Bộ AC/DC/AC, DC/AC thông thường biến đổi DC trở lại thành AC sao cho các động cơ cảm ứng hay đồng bộ có thể cung cấp công suất ở tần số khác với tần số 50Hz. Điều này thực hiện sao cho các động cơ có thể vận hành hiệu quả hơn. Các bộ chỉnh lưu cung cấp nguồn cho các tải thông thường được mô tả bằng số xung của chúng, chẳng hạn như 3, 6 , 12, 18, 24 xung và có thể hơn nữa. Số xung phản ánh số thiết bị đóng ngắt, trạng thái ngắt được sử dụng. Loại 6 và12 xung rất thông dụng, chỉnh lưu 3 xung đôi khi được sử dụng trong công suất nhỏ và 18 xung trở lên được sử dụng ở công suất lớn hơn, việc lựa chọn số xung được dựa trên tính kinh tế, loại 3 xung là dễ nhất nhưng chỉ được sử dụng ở công suất cho trước. Sau đây là bảng tổng hợp sóng hài của một số thiết bị điện tử như sau: Bảng 1.5 Sóng hài của bộ chỉnh lưu cầu 6 pha (h: là bậc của sóng hài) h Độ lớn(%) Góc pha 1 100 -75 5 33,6 -156 7 1,6 -151 11 8,7 -131 13 1,2 54 17 4,5 -57 18 1,3 -226 23 2,7 17 25 1,2 149 Bảng 1.6 Sóng hài của bộ SVC. h Độ lớn% h Độ lớn % 1 100 3 13,78 5 5,05 7 2,59 9 1,57 11 1,05 13 0,75 15 0,57 17 0,44 19 0,35 21 0,29 23 0,24 25 0,20 Tùy theo mục đích sử dụng, các van bán dẫn có thể là linh kiện được điều khiển ( GTO, MOSFET, Thritor,..) hay các linh kiện không điều khiển được (Diode ). Ví dụ bộ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển được mô tả như hình 1.11 sau đây : Ud Ia Va Vb Vc Ib Ic T1 T2 T3 Hình 1.10 Chỉnh lưu tia ba pha thritor Khi đó ta thấy dòng điện trên các pha có độ méo dạng rất lớn Hình 1.11 Dạng sóng dòng điện bộ chỉnh lưu tia ba pha 1.4.5. Tác động của tụ bù với sóng hài Bên cạnh các thiết bị trực tiếp gây ra sóng hài còn các thiết bị gián tiếp tạo ra sóng hài, tụ bù là một trường hợp như vậy. Tụ không phát ra sóng hài nhưng lại xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa tụ và trở kháng của hệ thống sẽ làm khuyếch đại sóng hài. Bảng 1.7 Một số tiêu chuẩn của tụ bù. Đại lượng Tỉ số Giới hạn % Giá trị thực Giá trị % Điện áp đỉnh 120 119 Điện áp RMS 110 106 Dòng RMS 180 129 kvar 135 136 (Trong đó rate: giá trị danh định) 1.4.5.1. Hiện tượng cộng hưởng song song. Hiện tượng cộng hưởng song song xảy tại tần số khi XL=XC do đó Trong đó: C là điện dung của tụ. L là điện cảm của nguồn. Zch là trở kháng của hệ thống tại tần số cộng hưởng. Tại tần số này tổng trở của hệ thống rất lớn Trong đó Q = XL/R (hệ số chất lượng của hệ thống) Rõ ràng với một lượng sóng hài dòng điện rất nhỏ Ih có thể gây nên điện áp sai lệch rất lớn V = QXLIh (Ih là dòng điện sóng hài) Dòng điện khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng song song như sau: (Ich là dòng điện tại tần số cộng hưởng) Dòng qua tụ điện và trong hệ thống sẽ tăng gấp Q lần. Q đối với hệ thống phân phối thường có giấ trị từ 3 đến 7 vì vậy dòng này có đủ khả năng làm hỏng tụ, quá nhiệt máy biến áp...Bậc của sóng hài mà có thể được khuyếch đại khi xảy ra cộng hưởng song song giữa tụ và điện cảm của hệ thống. Nếu h là tỉ số tần số giữa sóng hài và tần số cơ bản thì cảm kháng cảm dung kháng của hệ thống khi xảy ra cộng hưởng tại tần số của sóng hài như sau: , Và do đó Nên ta có: MVASC Công suất ngắn bộ (MVA) MVARcap Dung lượng cuả bộ tụ (MVAR) 1.4.5.2. Cộng hưởng nối tiếp. Khi lắp tụ bù có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa tụ và điện cảm của máy biến áp hoặc của đường dây phân phối. Điện áp trên tụ bù được khuyếch đại đáng kể theo công thức sau : Trong đó: - Vh là điện áp tương ứng với dòng sóng hài Ih, - Vs là điện áp của tụ 1.5. ảnh hưởng của sóng hài ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau [2]: (1.2) (1.3) Đồng thời ta có thể quan sát một cách trực quan như sau : Hình 1.13 Giá trị đỉnh RMS theo các thành phần sóng hài Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài, sẽ dẫn đến hàng loạt các vấn đề sau : Làm tăng phát nóng các thiết bị điện, dây dẫn điện. ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu điện, khả năng mang tải của dây dẫn điện. ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai) : cầu chì, CB, relay…đồng thời các thiết bị đo đếm như KWh ghi nhận sai dữ liệu. Tổn hao trên dây dẫn và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến Momen trên trục của động cơ. Làm các mạch PLL trong điều khiển hoạt động sai. ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông. 1.5.1. Máy biến áp. Máy biến áp được thiết kế để truyền tải công suất theo yêu cầu đến tải sao cho tại tần số cơ bản thì tổn thất ít nhất. Sự sai lệch do sóng hài dòng điện và điện áp sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ của máy biến áp. Dòng của máy biến áp dao động trong khoảng 5% dòng định mức và quá điện áp là 5% khi tải định mức và 10% khi không tải. Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến việc tăng nhiệt độ của máy biến áp khi dòng tải có thành phần sóng hài. a. Dòng RMS: Nếu máy biến áp được thiết kế chỉ tính đến nhu cầu công suất kVA của tải thì dòng sóng hài có thể khiến dòng hiệu dụng cao hơn khả năng của chúng. Việc tăng dòng rms sẽ làm tăng tổn thất trong các bộ phận dẫn điện. b.Dòng Foucault: Dòng này do từ thông của máy biến áp gây nên. Đó là các dòng trong cuộn dây, trong lõi thép...làm nóng máy biến áp. Tổn thất này tỉ lệ bình phương tần số dòng Foucault. Do đó đây là thành phần quan trọng khi xét đến tổn thất máy biến áp do nhiệt độ. c. Tổn thất do lõi thép: Tổn thất này không phụ thuộc vào tải mà chủ yếu phụ thuộc cấu tạo và vật liệu của máy biến áp. Theo tiêu chuẩn ANSI/IEEEC57.110-1998: Thì tổn thất PLL có thể coi như gồm hai thành phần:I2R và tổn thất do dòng Foucault PEC PLL=P + PEC Trong đó PEC_R là hệ số tổn thất do dòng Foucault trong điều kiện hoạt động định mức. Tổng dòng điện khi có cả sóng hài: Dòng điện tăng dẫn đến I2R tăng Bảng 1.7 Tra PEC-R(pu) của một số loại máy biến áp. Loại MVA Điện áp PEC-R% Khô 1 1,5 1,5 _ 5 kV 15 kV 3-8 12-20 9-15 Dầu 25 2,5-5 >5 480 V 480 V 480 V 1 1-5 9-15 1.5.2. Tụ điện Việc tăng điện áp gây nên hiện tượng quá ứng suất và giảm tuổi thọ của tụ. Quá nhiệt độ, điện áp và dòng điện đều làm hỏng lớp điện môi của tụ. Khi nhẹ tải hay khi cầu chì tác động ngắt tụ hỏng sẽ khiến bộ tụ khác có nguy cơ bị quá áp. Ngoài ra các thành phần sóng hài góp phần gây quá điện áp trên tụ. Điều này rất nguy hiểm đối với các thiết bị công nghiệp khi dùng các bộ chỉnh lưu công suất lớn nhưng lại không có bộ lọc. Theo tiêu chuẩn IEEE18 -1980 thì giới hạn về công suất phản kháng, về điện áp, dòng điện của tụ như sau: 110% điện áp hiệu dụng định mức. 120% điện áp đỉnh định mức. 180% dòng điện hiệu dụng định mức - 135% công suất phản kháng định mức. Tiêu chuẩn này rất quan trọng để có thể sử dụng quá định mức của tụ trong các điều kiện không bình thường, như trong điều kiện có sóng hài và trong thiết kế các bộ lọc điều hưởng đơn. 1.5.3. Các thiết bị chiếu sáng. Đèn huỳnh quang là một trong những nguồn phát sóng hài. Nhưng tác động đến độ chiếu sáng của đèn lại là thành phần sóng hài khác. Các điều hoà này có tần số không bằng số nguyên lần tần số cơ bản và có xu hướng tạo nên dao động điện áp dẫn đến sự nhấp nháy của ánh sáng. Các loại sóng hài này thường do các nhà máy thép, xi măng, hầm mỏ phát ra. Chú ý là đèn huỳnh quang nhạy cảm với sự dao động của điện áp hơn đèn sợi đốt. 1.5.4. Các cầu chì và thiết bị đóng ngắt. Một mức đáng kể sóng hài của dòng điện có thể dẫn đến các trạng thái vận hành không mong muốn của cầu chì và làm thay đổi đặc tính thời gian- dòng điện của cầu chì. Trong trường hợp các sự cố có biên độ thấp, các sóng hài có thể thấp hơn mức chảy tối thiểu nhiều lần. Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hòa có thể làm gia tăng nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt. Ngoài ảnh hưởng của việc tăng nhiệt, các thành phần điều hòa trong sóng dòng có thể ảnh hưởng tới khả năng cắt dòng của thiết bị đóng ngắt. Vấn đề là các thành phần điều hòa có thể đưa đến việc biên độ di/dt cao tại các điểm không của dòng điện làm cho việc cắt khó khăn hơn. Các máy cắt không cắt được dòng điện do việc các cuộn cắt không có khả năng vận hành thích hợp trong điều kiện hiện diện các sóng hài khắc nghiệt. Khi có cuộn cắt hỗ trợ trong việc chuyển động của hồ quang đến điểm dốc xuống của nó, nơi mà việc cắt thực hiện, việc vận hành không hiệu quả làm kéo dài hồ quang và hậu quả cuối cùng là hỏng máy cắt. Các vấn đề tương tự có thể có trong các thiết bị đóng cắt dòng điện khác. Không có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức của các dòng điện mà các thiết bị đóng cắt được yêu cầu để cắt. Tất cả các thí nghiệm về sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung cấp. 1.5.5. Nhiễu điện thoại Thông thường các đường dây điện thoại được đặt dưới các đường dây điện trong mạng phân phối và điều này có thể dẫn đến hiện tượng nhiễu của đường dây điện thoại. Điều này được đặc trưng bởi hệ số TIF và IT theo tiêu chuẩn IEEE-519. Trong đó TIF được coi như hệ số để đo nhiễu đường dây điện thoại do sóng hài trong hệ thống điện tạo nên. Nó sử dụng một hệ số đặc biệt đó là để đặc trưng cho độ nhậy cảm của tai người đối với các âm thanh ở các tần số khác nhau. Trong đó Ih là sóng hài dòng điện. Và nếu IT lớn hơn 25000 thì có thể tạo ra các nhiễu điện thoại. Ta có bảng tra TIF tại một số tần số tại bảng 1.8. Bảng 1.8 Bảng tra TIF tại một số tần số. Tần số (Hz) TIF Tần số (Hz) TIF Tần số (Hz) TIF Tần số (Hz) TIF 60 0,5 1020 5100 1860 7820 3000 9670 180 30 1080 5400 1980 8330 3180 8740 300 225 1140 5630 2100 8830 3300 8090 360 400 1260 6050 2160 9080 3540 6730 420 650 1380 6370 2220 9330 3660 6130 540 1320 1440 6560 2340 9840 3900 4400 660 2260 1500 6680 2460 10,340 4020 3700 720 2760 1620 6970 2580 10,600 4260 2750 780 3360 1740 7320 2820 10,210 4380 2190 900 4350 1800 7570 2940 9820 5000 840 1000 5000 1.5.6. Các máy điện quay Tương tự như máy biến áp, các máy điện quay có sự tăng nhiệt độ do tổn thất sắt và tổn thất đồng tại các tần số điều hoà. Các thành phần điều hoà cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất máy, mômen tạo nên sự rung lắc, và tiếng ồn. Theo tiêu chuẩn của IEEE 519-1992 đối với động cơ giới hạn 5% THD và 3 % cho từng loại sóng hài. Hiện tượng quá nhiệt sẽ bắt đầu khi sự sai lệch điện áp từ 8 đến 10% hoặc cao hơn. Sự sai lệch này phải có biện pháp khắc phục mới kéo dài được tuổi thọ của động cơ. Các động cơ mắc song song với trở kháng của hệ thống thì phải lưu ý đến các thành phần sóng hài cũng như hiện tượng dịch chuyển điểm cộng hưởng song song do giảm cảm kháng của mạng. Điều này gây bất lợi cho hệ thống hay không còn phụ thuộc vào điểm cộng hưởng trước khi đóng điện cho động cơ. Các động cơ này có khả năng làm giảm bớt sự tác động của các thành phần sóng hài và điều này phụ thuộc vào tỉ số X/R của roto. Nếu hệ thống có nhiều động cơ loại nhỏ có tỉ số X/R nhỏ thì có thể giúp giảm hiện tượng cộng hưởng sóng hài. 1.5.7. Các thiết bị đo Đo lường và trang bị các dụng cụ đo bị ảnh hưởng bởi các phần tử điều hòa, đặc biệt nếu các điều kiện cộng hưởng tồn tại dẫn đến các điện áp điều hòa cao trong bộ. Các thiết bị có đĩa cảm ứng như các điện kế và các rơle quá dòng thông thường chỉ làm việc với dòng cơ bản, nhưng pha không cân bằng gây nên sự méo của các điều hòa tạo lên sự sai số cho các thiết bị này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cả sai số dương điều có thể xảy ra với sự hiện diện của sự méo điều hòa tùy theo loại của đồng hồ được xem xét các sóng hài. Nói chung độ làm méo phải lớn (>20%) thì các sai số đáng kể mới được phát hiện. 1.5.8 Các role bảo vệ Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các role bằng nhiều cách làm cho role có thể tác động sai. Các role làm việc phụ thuộc vào đỉnh của điện áp và dòng điện, hay các điểm không của điện áp trong vận hành. Do vậy chúng bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự méo của các điều hòa. Sự hiện diện quá mức của dòng điện điều hòa bậc ba có thể làm cho các role bảo vệ chạm đất tác động sai. Các role được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm hơn hoặc các giá trị tác động cao hơn. Các role tĩnh tần số thấp nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các đặc tính vận hành. Tùy theo nhà sản xuất, các role quá dòng và qua điện áp được bố trí nhiều loại khác nhau về đặc tính vận hành. Tùy theo hàm lượng sóng hài, các momem quay của các role có thể bị đảo ngược. Số lần vận hành có thể thay đổi lớn như là một hàm số của tần số. Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các role so lệch. Nói chung các mức điều hòa làm cho các role vận hành sai lớn hơn các mức được xem xét để hạn chế cho các thiết bị khác. Các mức điều hòa khoảng 10 đến 40% thông thường được yêu cầu đối với việc vận hành role, trừ các tình huống không bình thường. 1.5.9. Thiết bị điện tử công suất Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp ngoài là nguồn đáng kể của các dòng điều hoà thì nó cũng rất dễ bị vận hành sai do sự làm méo các sóng hài. Thiết bị này thường phụ thuộc vào sự xác định chính xác điện áp qua điểm không hay điểm mà tại đó một điện áp dây trở nên lớn hơn điện áp dây khác. Cả hai điểm này là điểm tới hạn của nhiều loại điều khiển mạch điện tử và vận hành sai. Chương II giải pháp hạn chế sóng hài đi sâu tìm hiểu bộ lọc tích cực song song 2.1. Giảm lượng sóng hài do tải phát ra Rất khó có thể loại bỏ các tải phát ra sóng hài mà thay vào đó ta có thể sử dụng chúng như sau: máy biến áp quá kích từ có thể đặt lại chế độ hoạt động bình thường bằng cách hạ điện áp đặt vào đến điện áp định mức, các thiết bị hồ quang và hầu hết các bộ nghịch lưu nên được thiết lập hoạt động theo như đặc tính thiết kế của chúng. 2.1.1. Cách ly phụ tải Cách ly phụ tải hoặc nhóm phụ tải gây sóng hài bằng cách nhóm các phụ tải phi tuyến với nhau như hình 2.1 Source AC Sensitive Line impedances Non-linear Load 2 Non-linear Load 1 No Yes Hình 2.1 Cách ly phụ tải gây ô nhiễm sóng hài 2.1.2. Dùng biến áp riêng Dùng biến áp riêng cho phụ tải có đặc tính phi tuyến và phụ tải có đặc tính tuyến tính. Linear Load 2 Non-linear Load 1 MV network Hình 2.2 Dùng biến áp riêng Dùng các máy biến áp có đấu dây đặc biệt Dùng các máy biến áp có đấu dây đặc biệt đấu Y/D, đấu Zig- zag... Hình 2.3 Dùng cách đấu dây đặc biệt 2.2. Thực hiện lắp các bộ lọc sóng hài Các bộ lọc thụ động song song tạo ra hiện tượng ngắn mạch đối với các dòng sóng hài. Đây là một phương pháp phổ biến vì tính kinh tế cũng nhu khả năng nâng cao hệ số công suất cho mạng. Các bộ lọc mắc nối tiếp với hệ thống có trở kháng rất lớn với các thành phần sóng hài nên chúng bị giữ lại. Tuy nhiên bộ này ít được sử dụng vì điện áp trên tải bị sai lệch nhiều. 2.2.1. Bộ lọc thụ động 2.2.1.1 Bộ lọc sóng hài điều hưởng đơn Hình 2.4 Bộ lọc sóng hài điều hưởng đơn Bộ lọc sóng hài điều hưởng đơn để lọc những tần số đặc biệt. Mạch cộng hưởng nối tiếp tạo ra trở kháng thấp cho các sóng hài dòng điện và giữ lại bất kì sóng hài dòng điện nào tại tần số điều khiển đó. Đây là một bộ lọc sóng hài đơn giản nhất. Khi xảy ra sự tác động giữa bộ lọc và trở kháng của nguồn nguồn (LS) thì sẽ xảy ra sự cộng hưởng song song tại giá trị trở kháng đỉnh. Cộng hưởng song song xảy ra tại tần số sau: (2.1) Chú ý rằng tần số này có thể thay đổi khi bất kì thành phần nào của bộ lọc L hoặc C hay của nguồn LS thay đổi. Chẳng hạn việc ngắt hay đóng máy biến áp ở trạm làm thay đổi trạng thái của nguồn. Việc thêm vào tụ bù trên đường dây tại nơi lắp đặt bộ lọc cũng gây nên tác động này. Một vấn đề có thể phát sinh nữa là: Nếu bộ lọc được điều chỉnh tại một tần số nào đó nhưng sau đó điểm cộng hưởng nối tiếp lại dịch chuyển đến điểm có tần số lớn. Chẳng hạn do sự già hoá của tụ mà điện dung của tụ bị giảm thì điểm cộng hưởng song song sẽ thẳng hàng với tần số sóng hài của tải làm sự khuyếch đại điện áp trở nên rất xấu vì nó tạo sự ứng suất trên cáp hoặc trên các cuộn dây của động cơ. Nếu coi trở kháng của nguồn là cố định thì dễ dàng điều chỉnh tần số bộ lọc thấp hơn giá trị tần số mong muốn một chút khoảng từ 3 đến 5%. Điều này sẽ giúp bộ lọc vẫn tạo ra trở kháng thấp nếu tần số điều hưởng dịch chuyển lên giá trị cao hơn một chút. Ngoài ra ta có thể sử dụng mạch phát hiện không cân bằng để bảo vệ bộ tụ cũng như đảm bảo bộ lọc hoạt động đúng yêu cầu. 2.2.1.2. Bộ lọc cao tần Bộ lọc này giảm trở kháng của hệ thống tại các sóng hài bậc cao. Nó có hiệu quả hơn khi dùng nó để giảm các loại sóng hài trên toàn bộ phổ tần số. Tuy bộ lọc này không lọc được tần số điều hưởng nhưng nó có thể điều chỉnh được tần số sóng hài trên một khoảng rộng. Như chúng ta quan sát thì bộ lọc này làm giảm trở kháng ở những sóng hài bậc cao. ở tần số cơ bản điện trở tiêu hao một lượng năng lượng đáng kể. Hình 2.5 Sơ đồ bộ lọc cao tần 2.2.1.3. Bộ lọc phối hợp Đôi khi trong hệ thống cũng có một vài tần số sóng hài nổi bật. Nếu để điều chỉnh các tần số như bậc 5, bậc 7 thì sẽ sử dụng bộ lọc điều hưởng tần số đơn. Nhưng với những tần số sóng hài bậc 11 và cao hơn nữa thì chúng ta sẽ sử dụng bộ lọc cao tần. Hình 2.6 sau là một ví dụ về việc phối hợp các bộ lọc. Trong đó, L1 và C1 để kiểm soát sóng hài ở một tần số đặc biệt nào đó. Còn L2 và C2 có tác dụng với sóng hài ở tần số khác. L3, R và C3 tạo thành một bộ lọc cao tần để lọc sóng hài trên một dải tần số. Hình 2.6 Sơ đồ bộ lọc phối hợp Sau đây là hình ảnh về đặc tính tần số-điện áp của một hệ thống điện khi có tụ bù nhưng không lắp bộ lọc và khi có cả tụ bù lẫn bộ lọc Hình 2.7 Khi chưa có bộ lọc Hình 2.8 Khi có bộ lọc tách đông Trong đó: - Đường thẳng là đặc tính của hệ thống khi không có tụ bù. - Đường cong là đặc tính của hệ thống khi có tụ bù nhưng không lắp bộ lọc xảy ra hiện tượng khuyếch đại điện áp tại tần số 13f. 2.2.2. Bộ lọc tích cực Có nhiều phương pháp khử và hạn chế các sóng hài như dùng bộ lọc thụ động ( Pasive filter ), sử dụng máy biến thế đấu Y/r,…Nhưng phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực khử sóng hài. Nguyên lí hoạt động của các bộ lọc tích cực là khả năng chủ động phát ra các thành phần bù cùng độ lớn nhưng nguợc pha với sóng hài. 2.2.2.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất Căn cứ vào cấu hình của bộ biến đổi công suất được sử dụng trong bộ lọc, ta có 2 loại bộ lọc tích cực : VSI - bộ biến đổi nguồn áp và CSI- bộ biến đổi nguồn dòng điện. a. Cấu trúc bộ lọc tích cực VSI Hình 2.10 Cấu hình VSI Đặc điển của cấu trúc của cấu hình VSI là có thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc b. Cấu trúc bộ lọc tích cực CSI Hình 2.11 Cấu hình CSI Đặc điển của cấu trúc của c._.